【正文】 1 第一章 緒論 課題研究背景及意義 當(dāng)人類發(fā)明蒸汽機(jī)的時(shí)候，則預(yù)示著人類進(jìn)入了新工業(yè)時(shí)代，而網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)無疑將信息化深深地刻印在人類文明豐富多彩的畫卷上。人們?cè)诠ぷ?、生活、學(xué)習(xí)和交流的方面日益密切，在改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣的同時(shí)，它也對(duì)我們的傳統(tǒng)住宅帶來新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在人們?nèi)找媾蛎浀男枨笫沟眉揖又悄芑殉蔀橐环N新趨勢(shì)。眾所周知，中國人口基數(shù)大，城市住房建設(shè)相對(duì)多的選擇在更密集的住宅區(qū)，許多房地產(chǎn)開發(fā)商基于小區(qū)智能化的角度，也出現(xiàn)了目前一統(tǒng)天下，無所不包的“智能化住宅”模式。許多子系統(tǒng)的功能還需要有足夠的協(xié)調(diào)能力。而致力于家庭智能化系統(tǒng)的開發(fā)的，這就是所謂的智能家居。原來的結(jié)構(gòu)是比較古板，而現(xiàn)在是變成可以移動(dòng)智能的工具，擁有各方面的信息交換的功能，保證能在外面可以和家庭信息進(jìn)行流暢的交流，提高家庭生活的方式，幫助人們能夠更好的、合理的安排時(shí)間，提高生活的舒適性，也可以為各種能源減少不必要的費(fèi)用。家居 智能化系統(tǒng)將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器以及家庭保安裝置通過有線或無線的方式連接起來，并進(jìn)行集中或者異地的管理、監(jiān)控，保持家庭住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)、舒適。智能家居的廣泛應(yīng)用于美國，德國，新加坡，日本和其他國家。 幾年前，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家，提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是領(lǐng)先的智能家居，智能家居是智能住宅的核心。電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)適用于家庭住宅的 1988 美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)，即“家庭自動(dòng)化系統(tǒng)和通信標(biāo)準(zhǔn)”也被稱為家庭總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（ HBS）；中國也已開始從 1997 年初制定的“小康住宅電氣設(shè)計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)）指南》（草案）中的“指南“在小康住宅電氣設(shè)計(jì)規(guī)定應(yīng)滿足下列要求 ：一個(gè)高水平的安全、舒適的環(huán)境，便利的交通，綜合信息服務(wù)，家庭智能化系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大，和其他家居控制系統(tǒng)如 ABB， c_bus 上升更容易接受，使用也比較簡單。但由于國內(nèi)缺乏市場(chǎng)條件和價(jià)格昂貴，該系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用的罕見。但由于其復(fù)雜的工程的實(shí)際要求，且價(jià)格較高，所以一直無法打開國內(nèi)市場(chǎng)。本實(shí)用新型具有使用產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)的擴(kuò)展，該系統(tǒng)是更成熟，更適合中國國情的。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 智能家居在中國 與國外相比起步較晚，尚未形成一定的國家標(biāo)準(zhǔn)。我國將住宅小區(qū)智能化定義為：利用 4C（即計(jì)算機(jī)、通訊與網(wǎng)絡(luò)、自控、 IC 卡）技術(shù)，通過有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將多元信息服務(wù)與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成，為住宅小區(qū)的服務(wù)與管理提供高技術(shù)的智能化手段，以期實(shí)現(xiàn)快捷高效的超值服務(wù)與管理，提供安全舒適的家居環(huán)境 [14]。國家也在多個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施方案中將它列入國家的重點(diǎn)發(fā)展方向。據(jù)悉，國家將投資 15 億來大力的鼓勵(lì)該項(xiàng)目的實(shí)施。到 2020 年，我過已經(jīng)有 70%的家庭都擁有了Inter 設(shè)備。國家建筑部提出了要求：到 2020 年，各大小城市要 60%的住宅都能實(shí)現(xiàn)家庭智能化。但是由于很多開發(fā)商和媒體的大肆宣傳，消費(fèi)者們對(duì)智能化家居存在認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。但是很少有人需要帶有電子郵件功能的冰箱，熱水器等。 產(chǎn)品開發(fā)的功能模塊，基于國外智能家居標(biāo)準(zhǔn)的日益成熟，我們國家在軟硬件，開發(fā)機(jī)制等方面也漸漸地向設(shè)備智能家居化發(fā)展。 智能家居網(wǎng)關(guān) 是智能家居的終端部件 作為智能家居內(nèi)外連接通信的 “大腦” ， 它主要是負(fù)責(zé)公網(wǎng)和家庭內(nèi)部之間的交互，能很好的實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭內(nèi)部網(wǎng)信息的互相交換。 同時(shí) 智能家居網(wǎng)關(guān) 還和其他的四 個(gè) 部位相互 連接， 交互 信息， 能把他們的信息統(tǒng)一起來進(jìn)行 管理。現(xiàn)在有許多廠家為了在市場(chǎng)上搶得先機(jī)，都推出了自己的家庭網(wǎng)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目的就是建立一個(gè)開放式的服務(wù)規(guī)范，向家庭設(shè)備提供所需要的業(yè)務(wù)，從而制定了家庭外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)家庭設(shè)備所需的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)聯(lián)盟主要是來解決一些家電怎么連接到家庭網(wǎng)絡(luò)中的問題。主要的目的是制定一套完整的家庭網(wǎng)絡(luò)體系，并把他們應(yīng)用到家庭醫(yī)療保健等服務(wù)上。具有智能家居目前更優(yōu)越的切削復(fù)雜的配置系統(tǒng)。 本論文的主要工作和章節(jié)安排 本課題 提出了一種基于 ZigBee 技術(shù)和 GPRS 無線通信的智能家居技術(shù) 結(jié)合起來的技術(shù)， 建立了 一個(gè)無線智能家居系統(tǒng)， 把 現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，不僅避免了 一些在現(xiàn)場(chǎng)布線所帶來的不必要的問題 ， 還 能及時(shí)，準(zhǔn)確，全面地反映電設(shè)備的用戶使用， 這樣也 彌補(bǔ)了 那些比較 傳統(tǒng)接線方式的缺點(diǎn)。所以，有很多類似的有線通信系統(tǒng) 都可以用本課題所研究的模式所替代 ，而且系統(tǒng) 還可以 應(yīng)用到 更廣的范圍內(nèi)。 主要講解本課題所 研究背景 和 意義，闡述本課題的國內(nèi)外 發(fā)展 現(xiàn)狀、研究的目的和意義 以及本文所 要去 完成的主要工作。通過和其他短距離通信方式對(duì)比 詳細(xì)的介紹 了 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)以及 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和原理，簡 單 介紹了 ZigBee 應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)所在。本章主要 制作了 智能家居的總體設(shè)計(jì)流程圖，并簡要介紹了該系統(tǒng)各部分主要功能 和作用 。主要完成了 智能 家庭網(wǎng)關(guān)的 設(shè)立 ， 設(shè)計(jì)智能家居的無線傳輸模塊，選擇數(shù)據(jù)在采集端 端無線收發(fā)芯片及其外圍 所需 電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì) ZigBee 節(jié)點(diǎn)、 ZigBee 終端采集節(jié)點(diǎn)和 其 相應(yīng)的接口電路的硬件電路的詳細(xì)設(shè)計(jì) 和介紹 。 建立 智能家居 ARM 的 網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，完成了數(shù)據(jù)采集端的軟件設(shè)計(jì) (包括 ZigBee 協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) )，對(duì)相應(yīng)的程序進(jìn)行調(diào)試。 5 第 2 章 嵌入式及 ZigBee 技術(shù) 嵌入式系統(tǒng)概述 嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)是為一種特定的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，又稱之為“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)存在生活中的各個(gè)地方，如交通管理、工業(yè)控制、家電信息、家庭智能管理系統(tǒng)、電子商務(wù)、環(huán)境工程與自然等。作為物聯(lián)網(wǎng)重要技術(shù)組成的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的視角有助于深刻地、全面地理解物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。誠然，物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計(jì)算、模式識(shí)別等各種智能技術(shù)，擴(kuò)充其應(yīng)用領(lǐng)域。 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)和設(shè)計(jì)方面都得根據(jù)具體的應(yīng)用任務(wù)的，雖然說不同的應(yīng)用所對(duì)應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)差距很大，但它的基本要素都是一樣的，由于現(xiàn)在的人們對(duì)產(chǎn)品成本、功耗、可靠性等要求逐漸提高，嵌入式系統(tǒng)慢慢的通過計(jì)算機(jī)走進(jìn)了人們的視線，被人熟知。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心通常是一個(gè)只有幾 K 或幾十 K 的內(nèi)核，所以它一般用在小型的 電子設(shè)備中，資源也相對(duì)的比較有限。 （ 2）專用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，所以它必須與具體的應(yīng)用結(jié)合在一起才能發(fā)揮它的最大優(yōu)勢(shì)。嵌入式系統(tǒng)一般在軟件方面沒有什么明顯的區(qū)分，不需要對(duì)它的設(shè)計(jì) 6 太過于復(fù)雜，從而還減少了成本。嵌入式軟件基本上都是固態(tài)存儲(chǔ)，來提高速度；同時(shí)也要求有高 可靠 性和高質(zhì)量的軟件代碼。 所以嵌入式系統(tǒng)還是有比較長的生命周期的。 短距離無線通信系統(tǒng)的工作范圍一般從幾厘米到幾百米，大多數(shù)都工作在高頻段，無線發(fā)射功率一般比較小。在 1998 年的時(shí)候，該藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議則由多家的公司最后達(dá)成共識(shí)。 本藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)版本則是 ，則由藍(lán)牙小組 (SIG)負(fù)責(zé)進(jìn)行開發(fā) 。 WiFi 技術(shù)（ Wireless Fidelity）： 它是通過 1999版 協(xié)議的修改并加以補(bǔ)充。和藍(lán)牙技術(shù)一樣，它也工作在 頻段，不同的是，它的數(shù)據(jù)傳輸率最大可以達(dá)到 54Mbit/s。不過它的電波覆蓋范圍達(dá)到了 100m 左右，相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)略勝一籌。所以它 非常 滿足那些 移動(dòng)辦公 的 用戶， 此外 由于 它的 發(fā)射信號(hào)功率低于 100mw， 比 手機(jī)發(fā)射功率 還低 ，所以 選擇 WiFi 上網(wǎng)相對(duì)也是 最安全 最 健康的。 IrDA 技術(shù)是一種利用波長在 到 25um 之間的近紅外線進(jìn)行無線通信的技術(shù)。不過 IrDA 技術(shù)對(duì)于方向性的要求很高，它的核心部件（紅外線 LED）的使用壽命也是十分有限的。 UWB 使用的中心頻率為 ，帶寬為，頻譜范 圍有點(diǎn)寬但是發(fā)射功率低。超寬帶技術(shù)最初是用來雷達(dá)開發(fā)的，認(rèn)為它屬于一種無載波通信技術(shù)。帶寬極寬， UWB 使用的寬帶 7 在 1GHz 以上，它可以和通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。 ZigBee 技術(shù) ： 是一種新型的技術(shù)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低能耗，低成本短距離的雙喜雙向通信。它有 3 種可供選擇的頻段，即 、 868MHZ（歐洲）及 915MHZ（美國），傳輸速率在 10kbps 到 250kbps，有效的覆蓋范圍為 10M~75M。 ZigBee 和其他幾種短距離無線通信技術(shù)的比較如下圖 21 所示： 表 21 ZigBee 和其他幾種短距離無線通信技術(shù)的比較 ZigBee 技術(shù) ZigBee 的特點(diǎn) （ 1）低功耗。這是 ZigBee 相比較藍(lán)牙和 WiFi 的優(yōu)勢(shì)所在。通過大幅度的簡化協(xié)議，具體點(diǎn)就是不到 Bluetooth 的 1/10，極大降低了其對(duì)通信控制器的要求，按照預(yù)測(cè)值來分析，用 8051 的 8 位微控制器進(jìn)行計(jì)算， 8 它的全功能主節(jié)點(diǎn)需要 32Kb 代碼，而其子功能節(jié)點(diǎn)少至 4KB 代碼，而且 ZigBee 免去協(xié)議專利費(fèi)。 （ 3）低速率。 （ 4）短距離。如果其能通過路由器和節(jié)點(diǎn)間通信接力，傳輸距離將可以達(dá)到更遠(yuǎn)。 ZigBee 響應(yīng)的速度比較快，一般的從睡眠轉(zhuǎn)入到工作狀態(tài)只需要短短的 15ms，節(jié)點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò)需要 30ms，進(jìn)一步的節(jié)省了其電能。 （ 6）比較高的容量。 （ 7）免執(zhí)照頻段。 協(xié)議結(jié)構(gòu) ZigBee/ 標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)是在 OSI 七層模型的最下面兩層：物理層 PHY和介質(zhì)訪問控制子層 MAC， ZigBee 聯(lián)盟在它的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層 NWK 和應(yīng)用層APL 這兩層 。 圖 OSI七層模型 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu) 協(xié)議的詳解 ZigBee 的堆棧是建立在 標(biāo)準(zhǔn)上的。應(yīng)用層還包括了應(yīng)用支持子層，應(yīng)用框架， ZigBee 的設(shè)備對(duì)象以及用戶定義的眾多應(yīng)用對(duì)象，圖 給出了這些組件之間的關(guān)系。 下面是網(wǎng)絡(luò)層主要功能： （ 1）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包：網(wǎng)絡(luò)層會(huì)接受來自應(yīng)用子層的數(shù)據(jù)包，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)層就對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后再加上適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)層包頭向 MAC 傳輸； （ 2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚晒δ埽壕W(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供路由數(shù)據(jù)包的功能，如果包的目的節(jié)點(diǎn)就是本節(jié)點(diǎn)，則將該數(shù)據(jù)包發(fā)送到應(yīng)用子層。 應(yīng)用層 ZigBee 的應(yīng)用層主要包括安全屬性設(shè)置和多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)等功能。同時(shí)在本系統(tǒng)中附加了一層應(yīng)用層協(xié)議完成數(shù)據(jù)的通訊和控制的業(yè)務(wù)。 的物理層運(yùn)作在 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ ISM）頻帶上，它在世界各個(gè)地方 都可以得到，但是次頻帶在信號(hào)上會(huì)互相干擾，不能共存。 PHY 層還主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)、發(fā)送和接收，向下直接操作物理傳輸介質(zhì)，向上為 MAC 層提供服務(wù)。 MAC 幀結(jié)構(gòu)的子層通過兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)為高層提供兩種服務(wù)：分別是 MAC 的數(shù)據(jù)服務(wù)通過通用接口子層接入和MAC 管理服務(wù)通過管理實(shí)體接入。它還支持幾種結(jié)構(gòu)，包括星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， MAC 層還負(fù)責(zé)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)提供舒暢的通信線路，為了避免他和直接鄰居發(fā)生沖突，這樣可以提高通信的效率。如圖 21所示。像這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器的性能要求非常的重要，正是因?yàn)樗械耐ㄐ判畔⒍嫉猛ㄟ^協(xié)調(diào)器來轉(zhuǎn)發(fā)，所以系統(tǒng)的延時(shí)是不可避免的，而且當(dāng)單個(gè)的節(jié)點(diǎn)在遭到破壞時(shí)就會(huì)讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常運(yùn)行，甚至?xí)兂砂c瘓的狀態(tài)。在這點(diǎn)上還是比星型簡便的。根據(jù)智能家居的最新定義，再參考 ZigBee 一些獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出了該系統(tǒng)。所謂的智能家居系統(tǒng)，是指只有完整地安裝了所有家居必備的系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能 稱為智能家居。一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要的是速度、成本、特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)功能。從而延長了電池的使用時(shí)間。但是在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)使用量不是很大，大大的簡化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而來保證數(shù)據(jù)能流暢的進(jìn)行通信。所以在智能家居中還是采取了星狀拓?fù)浼軜?gòu)最適宜，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)成本又低，而且比較容易去實(shí)現(xiàn)，還不涉及相關(guān)路由尋址等功能。其中家庭內(nèi)部控制設(shè)備主要有能訪問 Inter 的計(jì)算機(jī)、家庭網(wǎng)關(guān)監(jiān)控中心和家用電器控制器及管理系統(tǒng)。具體的系統(tǒng)組成如圖 31所示。 （ 2）計(jì)算機(jī)能進(jìn)行數(shù)據(jù)信息與控制信息，這方面則具備了更好的優(yōu)勢(shì)